Полупроводниковый оптический усилитель

 

Использование: квантовая электронная техника, а именно, высокомощные одномодовые и/или одночастотные высококогерентные источники излучения, которые используются в системах передачи энергии и информации на большие расстояния, а также при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования. Сущность изобретения: в полупроводниковом оптическом усилителе вывод излучения распределен на поверхности области усиления в заданном порядке, а каждое средство вывода выполнено в виде выемки определенной глубины с отражателями на ее гранях и области, прозрачной для выводимого излучения, обеспечивающих не только вывод части усиленного излучения, но и прохождение оставшейся ее части для дальнейшего ее усиления в последующей накачиваемой инфекционным током области (ячейки) усиления. Это приводит к увеличению эффективной длины усиления для выходного сигнала ПОУ и как следствие этого значительно увеличена мощность выходного излучения, сужена диаграмма его направленности и обеспечена множественность выходных усиленных сигналов от одного сигнального оптического излучения на входе ПОУ. 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к квантовой электронной технике, а именно к высокомощным одномодовым и/или одночастотным высококогерентным источником излучения, которые применяются для накачки твердотельных и волокнистых лазеров, для создания лазерных источников излучения в видимой области спектра (красного, зеленого и синего излучения) за счет генерации второй гармоники в нелинейных оптических кристаллах, используются в системах передачи энергии и информации на большие расстояния, а также при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования.

Полупроводниковый оптический усилитель (ПОУ) - также один из важнейших элементов современных волоконно-оптических систем связи и передачи информации. Входом ПОУ являются оптические сигналы, чаще всего лазерного излучения.

Известны различные типы оптических усилителей: волоконно-оптические усилители с накачкой от полупроводниковых лазеров [1] и ПОУ, в которых усиление входных оптических сигналов происходит непосредственно в активной области лазерных гетероструктур.

Волоконно-оптические усилители обладают рядом значительных достоинств и применяются сегодня как во всем мире, так и в отечественных системах волоконно-оптической связи. Однако ПОУ в силу своих особенностей: малые габариты, потенциально меньшая стоимость, возможность их интегрирования в оптоэлектронные схемы, безусловно имеют большие перспективы их использования при построении сложных, в частности, разветвленных сетей связи.

Известные к настоящему времени ПОУ имеют конструкции, содержащие один оптический вход и один оптический выход после усиления слабого входного сигнала [2]. В то же время, для простых и эффективных схемотехнических решений сложных разветвленных сетей связи желательно было бы иметь ПОУ, которые бы при одном оптическом входе имели бы несколько оптических выводов усиленного входного сигнала. Однако величины выходных сигналов известных ПОУ не достаточны для решения подобных задач.

Однако в настоящее время известны ПОУ с повышенной выходной мощностью излучения за счет формирования расширяемой области усиления [3, 4]. В то же время данной конструкции ПОУ свойственны определенные недостатки - трудности ввода излучения одновременно в несколько волокон для создания разветвленных сетей связи и недостаточная выходная мощность в ПОУ при большом числе разветвителей.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является полупроводниковый оптический усилитель, включающий помещенную на полупроводниковой подложке многослойную гетероструктурную с активным слоем, содержащую активную область усиления, омические контакты, средство вывода излучения с покрытиями и средства подавления паразитных излучений.

Основные особенности конструкции известного ПОУ могут быть пояснены с помощью фиг. 1.

ПОУ выполнен в полупроводниковой многослойной гетероструктуре 1, помещенной на подложке 2, и состоит из полосковой активной области усиления (ПАОУ) 3, заканчивающейся средством 4 - вывода усиленного излучения просветленной сколотой гранью гетероструктуры 1. С этой целью на нее нанесены многослойные диэлектрические антиотражающие покрытия 5 с глубоким просветлением R≈5·10^-4. Выходная апертура усилия равна 4 - 5 мкм. Кроме того, в конструкции ПОУ предусмотрены средства, обеспечивающие подавление паразитных отражений и переотражений выходного сигнала, способных сорвать одномодовый режим его работы. Ими в известном ПОУ [4] являются те же антиотражающие покрытия 5.

Технической задачей настоящего изобретения является увеличение эффективной длины усиления излучения в оптическом усилителе при выходе излучения через поверхность, что обеспечило значительное увеличение выходной мощности излучения и ее плотности для различных режимов работы, а также сужение и возможность управления диаграммой направленности суммарного излучения в дальнем поле вследствие фазированного сложения дифракционно ограниченных выходных одномодовых и/или одночастотных излучений, снижение астигматизма совокупности поверхностных областей излучения ПОУ и повышение эффективности теплоотвода.

Предложен полупроводниковый оптический усилитель, в котором активная область усиления сформирована по крайней мере из двух ячеек усиления, составляющих по крайней мере одну линейку усиления, ячейки соединены средством вывода излучения, выполненым в виде дополнительно введенных выемки с отражателем и области, прозрачной для выводного излучения. Причем выемка расположена со стороны поверхности гетероструктуры, отражатель помещен на фронтальной по отношению к входу оптического усилителя наклонной поверхности выемки. При этом введен угол Ψ, образованный направлением ребра отражателя выемки на поверхности гетероструктуры с направлением боковых сторон полосковой области усиления, выбираемый в диапазоне.

π/2 - arcsin 1/n < Ψ < π/2 + arcsin 1/n, где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения, а также введен угол ϕ, образованный нормалью мысленно проведенной в плоскости активного слоя к линии пересечения его плоскости с плоскостью отражателя выемки с нормалью к поверхности отражателя выемки, выбираемый в диапазоне 1/2 arcsin 1/n < Ψ < π/2 - arcsin 1/n. Дно выемки по отношению к поверхности гетероструктуры помещено на расстоянии, задаваемом потоком энергии P_вх усиленного излучения, распространяемого при работе устройства, который определен в сечении гетероструктуры, нормальном к ее слоям, в начале ячейки усиления, в области, прозрачной для вывода излучения, ограниченной дном выемки, а также задаваемом полным усилением в указанной ячейке, зависящим от заданного тока накачки, длины указанной ячейки и от конструкции гетероструктуры. При этом поток энергии P_вх выбран в диапазоне 0,95...0,001 от значения полного потока энергии усиленного излучения в конце предшествующей области усиления, а полное усиление в указанной ячейке обратно пропорционально потоку энергии P_вх. Далее в область, прозрачную для выводимого излучения и расположенную по ходу распространения во время работы устройства отраженного от отражателя выемки излучения, введены поверхности вывода излучения, по крайней мере одной стороной примыкающие к внешней выводной поверхности, а средства подавления паразитных излучений выполнены в гетероструктуре по крайней мере в виде области, расположенной после конечной выемки.

Активная область усиления может быть выполнена различной конфигурации. Например, активная область усиления может быть выполнена шириной f по всей ее длине.

Для сохранения одномодового и/или одночастотного режима работы и получения дифракционного ограниченного излучения: первая от входа ячейка активной области усиления выполнена расширяемой от входа шириной b до ширины f, а остальные ячейки выполнены шириной f; начальная часть от входа первой ячейки выполнена шириной b, а продолжающая ее часть первой ячейки выполнена расширяемой от ширины b до ширины f, остальные ячейки выполнены шириной f.

Для снижения потерь при выводе излучения после отражения от отражателей выемки и получения различных направлений вывода предложены различные варианты.

При непрозрачной для выходного излучения подложке в многослойной гетероструктуре слой между подложкой и прилегающим к ней эмиттером выполнен полупроводниковый слой, имеющий ширину запрещенной зоны (эВ), превышающую отношение 1,24 к длине волны (мкм) генерации лазерного излучения, распространяемого во время работы устройства, и толщину в диапазоне 5...100 мкм, причем поверхность вывода излучения размещена в веденном слое.

При выводе излучения по нормали к слоям гетероструктуры в случае плоской поверхности вывода излучения, расположенной параллельно слоям гетероструктуры, угол Ψ выбран равным π/2 , а угол ϕ выбран равным π/4 .

Для снижения потерь в предшествующем случае в многослойной гетероструктуре слой между эмиттером и прилегающим к нему внешним со стороны вывода излучения полупроводниковым слоем выполнен полупроводниковый слой с оптической толщиной, равной четверти длины волны излучения задающего лазера, распространяющегося во время работы устройства, и с показателем преломления, равным корню квадратному из произведения показателей преломления для слоев эмиттера и прилегающего к нему полупроводникового слоя.

Для вывода излучения по нормали к плоскости слоев гетероструктуры, в частном случае по нормали к поверхности подложки, и при исключении переотражений в случае плоской поверхности вывода излучения, наклоненной под углом ε к внешней выводной поверхности и пересекающей ее по линии, параллельной ребру выемки, угол Ψ для которого выбран равным π/2: а) при выборе угла ϕ меньшим π/4 угол ε задан соотношением η·sin{ε-[(π/2)-2ϕ]}=sinε, где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения; б) при выборе угла ϕ большим π/4 угол ε задан соотношением n·sin{ε-[2ϕ-π/2)]}=sinε, где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

В следующем случае для уменьшения паразитных отражений и переотражений предложено по периметру оптического усилителя средства подавления паразитных излучений выполнять в виде канавок глубиной, не менее глубины расположения слоев гетероструктуры, со стороны боковых границ активных областей излучения. При этом ближайшие к ним стороны канавок помещены под углами полного внутреннего отражения к преимущественному направлению подавляемых паразитных излучений и на расстояниях, при которых во время работы устройства обеспечен боковой спад интенсивности излучения до значения не более чем 0,1 его максимального значения в соответствующем поперечном сечении активной области. Причем в канавки введен материал, поглощающий излучение, и предложено в качестве него выбрать полупроводниковый материал, имеющий ширину запрещенной зоны (эВ) не более отношения 1,24 к длине волны (мкм) излучения, вводимого при работе устройства. При этом ширина канавок выбрана по крайней мере не менее трехкратной величины обратного значения коэффициента поглощения полупроводникового материала для указанной длины волны излучения.

Для достижения более высокой плотности расположения областей излучения в оптическом усилителе сформированы различные варианты при фазированном сложении достигнуть значительного сужения диаграммы направленности суммарного излучения и плотности мощности (выше суммарной) в дальнем поле. При этом полосковая область усиления выполнена по крайней мере из двух последовательно расположенных линеек усиления, помещенных под заданным углом друг к другу, причем в месте поворота линейки ограничены плоскостью отражателя, пересекающей по нормали по крайней мере слои гетероструктуры, а также ограничивающей внешние боковые стороны полосковой области усиления указанных линеек в местах, образованных пересечением мысленно продолженных внутренних боковых сторон полосковой области усиления с ее внешними боковыми сторонами, а средства подавления паразитных излучений дополнительно размещены по крайней мере вдоль части боковых сторон линеек усиления.

При этом предложено для фазирования излучения в любой линейке усиления, по крайней мере на одной ячейке усиления, формировать автономный омический контакт.

Существом настоящего изобретения является создание в интегральном исполнении новой и оригинальной конструкции усилителя типа бегущей волны с поверхностным излучением, в которой области с одним спектральным составом выходного излучения заданным образом распределены в пределах линейной или двумерной площади тела свечения. Впервые неочевидным путем. осуществлен вывод части усиленного излучения из оптического усилителя при помощи предложенных средств вывода излучения, выполненных в виде выемок с фронтально размещенными отражателями и областей, прозрачных для выводимого излучения. При этом указанные средства обеспечивают прохождение оставшейся части (обычно, меньшей) этого же усиленного излучения в последующий участок усиления, для которого эта оставшаяся часть излучения является входным сигналом (аналог сигнала задающего внешнего лазера для ПОУ). Последний в этом участке усиления вновь усиливается, возможно до уровня насыщения, и вновь выводится через следующее аналогичное средство вывода излучения. Так процесс поочередного усиления и вывода излучения может быть повторен требуемое число раз.

Следовательно, реализовано значительное увеличение эффективной длины усиления излучения в ПОУ за счет обеспечения периодического сброса части излучения и усиления оставшейся части, причем предложение ново, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

Ясно, что для обеспечения на всей длине области усиления вывода дифракционно ограниченного одномодового и/или одночастотного когерентного излучения необходимо исключить возможность возникновения самовозбуждаемой генерации. Предложенные для этой цели конструкция выемок, их расположение, средства подавления паразитных излучений, средства рассеяния излучений, выполнение областей, прозрачных для выводимых излучений, позволили создать различные модификации предложенного ПОУ, составляющие единый общий изобретательский замысел.

Все это обеспечивает значительное увеличение выходной мощности, ее плотности, дает возможность достигнуть сужения диаграммы направленности суммарного излучения, а также управление ею вследствие фазированного сложения дифракционно ограниченных одномодовых и/или одночастотных выходных излучений и снижения астигматизма от области излучения ПОУ при возможности вывода излучения практически со всей поверхности оптического усилителя, отводов больших количеств выделяемого тепла от активной области усиления и относительной технологической простоты его изготовления.

Это позволяет также значительно увеличить количество оптических выводов от ПОУ, а при снижении обратных отражений оптически усиленных сигналов в активные слои усиления при их выводе из ПОУ обеспечить существенное повышение коэффициента усиления ПОУ, кроме того это позволяет упростить ввод выходного излучения в оптическое волокно и значительно снизить затраты при использовании предлагаемых ПОУ в сложных разветвленных волоконно-оптических системах связи.

На фиг. 1 схематично изображено предлагаемое ПОУ, вид сверху; на фиг. 2 - известное ПОУ, вид сверху; на фиг. 3 - продольный разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - 6 - фрагменты продольного разреза А-А на фиг. 2; на фиг. 7 - предлагаемое ПОУ с двухмерной интегральной областью усиления в виде "змейки".

Предлагаемое устройство ПОУ (фиг. 2 и 3) состоит из ячеек 6 усиления, первая из которых составлена из полоскового участка, названного нами предусилителем 7, и расширяемого участка, названного нами расширяемой областью усиления (РОУ) 8. Ячейки 6 усиления соединены между собой средствами 4 вывода излучения. Вход первой ячейки 6 усиления является входом ПАОУ 3. Ширина ее полоскового участка равна b, РОУ 8 расширена от ширины b до ширины f. Последующие ячейки 6 усиления f составляют ПАОУ 3. В средства 4 вывода большей части усиленного излучения входят выемки 9, на фронтальных гранях которых по отношению к входу ПОУ помещены отражатели 10, а также области 11, прозрачные для выводимого излучения (на фиг. 3 обозначены пунктиром). Выемки 9 имеют глубину x₀, определяемую в рассматриваемом случае от поверхности гетероструктуры 1 (в общем случае - от поверхности, противоположной поверхности вывода излучения). Выемки 9 ограничивают с двух сторон каждую ячейку 6 усиления, последовательность которых образует линейку 12 усиления. Выполнены подавляющие паразитное излучение области 13 и 14, поглощающие, либо рассеивающие с дальнейшим поглощением самопроизвольные паразитные отражения и переотражения. Расположены они непосредственно за последней (по ходу усиления) выемкой 9 (торцевые подавляющие области 13) и по обе стороны от всей области усиления оптического усилителя с предусилителем 7 (боковые подавляющие области 14) на расстоянии, на котором боковой спад интенсивности излучения из активных областей усиления достигает не более чем 0,1 его максимального значения в соответствующем поперечном сечении активной области.

На фиг. 3 показано, что гетероструктура 1 состоит из активного слоя 15, двух окружающих его эмиттеров 16 и 17, контактного полупроводникового слоя 18, помещенного на эмиттере со стороны, противоположной расположению подложки 2, и омических контактов 19 и 20, где омический контакт 19 является омическим контактом ко всей активной области усиления, включая все его части, а именно, предусилитель 7, РОУ 9 и ПАОУ 3. В ряде случаев возможно автономное выполнение части омических контактов. В подложке 2 выполнен контакт 20.

Активный слой 15 в реальных гетероструктурах 1, в частности с напряженными квантоворазмерными подслоями [5], может включать несколько квантоворазмерных активных подслоев с разделяющими их барьерными подслоями и два волноводных подслоя, граничащих с эмиттерами 16 и 17 соответственно, но для настоящего изобретения это не будет играть принципиальной роли.

Грани выемки 9 могут быть покрыты упрочняющими защитными покрытиями 21, а фронтальная по отношению к распространяемому усиливаемому излучению - высокоотражающим покрытием 22 (фиг. 3 - 6).

Для осуществления вывода излучения через области 11, прозрачные для выводимого излучения, а именно слои гетероструктуры 1 и подложку 2, расположенные по пути прохождения отраженного усиленного излучения от отражателя 10 выемки 9, в подложке 2 выполнены поверхности 23 вывода излучения, свободные от омического контакта 20 и покрытые многослойными диэлектрическими антиотражающими покрытиями 5
На фиг. 4 - 6 на фрагментах разрезов изображены различные варианты размещения отражателей 10 выемок 9 и поверхностей 23 вывода, выполненных либо на поверхности подложки 2 (фиг. 4 и 5), либо в углублениях в подложке 2 (фиг. 6). При этом поверхности 23 вывода могут быть помещены под различными углами ε к плоскостям слоев гетероструктуры 1 в зависимости от наклона отражателя 10, т.е. от величины угла Ψ (образован направлением ребра отражателя 10 выемки 9 на поверхности гетероструктуры 1 с направлением боковых сторон ПАОУ 3) и угла ϕ (образован нормалью мысленно проведенной в плоскости активного слоя 15 к линии пересечения его плоскости с плоскостью отражателя 10 выемки 9 с нормалью к поверхности отражателя 10 выемки 9).

На фиг. 5 показан дополнительно введенный просветляющий слой 24, помещенный между эмиттером 17 и подложкой 2.

На фиг. 7 изображены поворотные отражатели 25 и поворотные ячейки 26 усиления, использованные для создания двумерной интегральной ПАОУ 3 в предложенном ПОУ.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Входное излучение (фиг. 2) через вход первой ячейки усиления вводится по полосковой ее части в РОУ 8, в которой усиливается дифракционно расходящееся излучение. Величина усиленного излучения может быть рассчитана с помощью известных методик для определенной гетероструктуры 1 известным образом при знании величины тока, приложенного к РОУ 8, а также длины РОУ 8. Усиленное до заданной величины P₀ излучение, попадая на фронтальную наклонную зеркальную грань выемки 9 - отражатель 10, отражается от него и выводится из активного слоя 15. (В данном частном случае, изображенном на фиг. 2 при углах Ψ = π/2 и ϕ = π/4 лучи отражаются под прямым углом в сторону подложки 2). Однако, так как выемка 9 глубиной x₀ специально рассчитана и сформирована, из активного слоя 15 выводится не все излучение, а только его часть P_вых. Оставшаяся, обычно меньшая часть, проходит непосредственно под дном выемки 9 и излучение P_вх (обычно не менее 10^-3) попадает во вторую ячейку 6 усиления ПАОУ 3. Здесь за счет приложенного к этой ячейке 6 усиления тока накачки, излучение в конце нее вновь может быть усилено практически до насыщения (в зависимости от длины ячейки 6 усиления и силы приложенного тока), вновь отражается от отражателя 10 следующей выемки 9 и выводится из активной области ячейки 6 усиления и т.д.

На фиг. 3 (продольный разрез, перпендикулярный слоям гетероструктуры 1) показано схематическое распределение интенсивности I(x) излучения, распространяющегося вдоль активного слоя 15. Максимум этого распределения в нашем случае, как и для обычно используемых симметричных гетероструктур, расположен в центре активного слоя 15, вдоль оптической оси симметрии, а спадающие хвосты распределения захватывают эмиттеры 16 и 17.

Расчет распределения интенсивности излучения I(x) для конкретной гетероструктуры 1 при заданных составах и толщинах всех ее слоев в настоящее время не представляет трудностей [6]. Для каждой конкретной полученной зависимости I(x) поток мощности излучения в гетероструктуре 1, проходящий под дном выемки через сечение, нормальное к плоскости слоев гетероструктуры 1, равен
kP_o=K∫_oI(x)dx = ∫_xI(x)dx,
где
P₀ - полный поток мощности излучения через гетероструктуру 1.

При выбранном значении k, равном, например 0,1, можно найти x₀, то есть расстояние, на которое дно выемки должно быть отдалено от оптической оси усилителя. Было определено, что практически для реализации изобретения P_вх выбирают в диапазоне (0,99...0,001)P₀.

Указанный диапазон изменения k=0,99...0,001 может быть также обоснован известными данными [7] и проведенными оценками.

Поток энергии, равный (1-k)P₀ = P, будет выведен из гетероструктуры 1 в направлении подложки 2, за вычетом потерь, в основном дифракционных, связанных с таким выводом. Эти потери будут пренебрежимо малы, если определяемая заданной конфигурацией гетероструктуры поперечная к слоям гетероструктуры ширина волноводной моды, отсекаемая отражателем выемки, превышает значение длины волны генерируемого излучения, распространяемого в гетероструктуре. Это означает, что практически для используемых гетероструктур указанное выше условие выполнимо.

Доля полного потока, равная kP₀, за вычетом потерь, связанных с вхождением этой части излучения в моду излучения (процесс формирования моды в следующей ячейке генерации), является входным потоком мощности P_вх, поступающим в следующую ячейку генерации. Из проведенных оценок определено, что основную долю составляют дифракционные потери, связанные с процессом формирования моды, которые зависят от величины k. Величина этих потерь варьируется от нескольких процентов P₀ до значений, не превышающих 0,25 P₀.

Перешедшая в следующую ячейку доля усиленного излучения захватится ее волноводом и будет усиливаться на всей ее длине до следующего отражателя выемки, причем экспериментально была подтверждена необходимость выполнения условия, при котором полное усиление в ячейке было обратно пропорционально величине P_вх.

Обращаем внимание на то, что отраженная часть выходного потока мощности должна быть выведена из гетероструктуры 1 с минимальными обратными отражениями в активный слой. Обратно отраженные паразитные излучения могут привести к самовозбуждению областей генерации в усиливающих областях, т.е. к нарушению одномодового (одночастотного) характера усиленного излучения. Для решения этого вопроса могут быть предусмотрены различные конструктивные меры, относящиеся как к расположению выемок, то есть к углу Ψ, к наклону отражателя, т.е. к углу ϕ, к областям 11, прозрачным для выводимого излучения, так и к областям 13 и 14 подавления паразитных излучений.

Рассмотрим влияние положения отражателей 10 и поверхностей 23 вывода излучения, а также конструкции областей 11, прозрачных для выводимого излучения, на реализацию режима усиления в ПАОУ 3 при увеличенной эффективной длине усиления излучения, а также на снижение вероятности возникновения самовозбуждаемых областей генерации в усиливающих областях.

Определено, что для реализации необходимых условий усиления необходимо, чтобы направления ребер выемок были направлены либо перпендикулярно по отношению к направлению боковых поверхностей ПАОУ 3, либо под некоторым углом Ψ ≠90^o, ограниченным диапазоном значений
π/2 - arcsin 1/n < Ψ < π/2 + arcsin 1/n,
где
n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения,
а наклон отражателей ограничен диапазоном значений углов ϕ
1/2 arcsin 1/n < Ψ < π/2 - 1/2arcsin 1/n,
где
n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

Эмпирически подтверждено, что при выбранном нами диапазоне наклона ребер выемки 9 и наклона отражателей 10 возможна реализация вывода излучения из оптического усилителя, значительное уменьшение рассеяния паразитно отраженных излучений, что в совокупности с условиями расположения дна выемки 9 позволяет наиболее оптимально реализовать достаточно эффективный выход части излучения и его введение в следующую ячейку 6 для дальнейшего усиления.

Для случая, когда длина волны (мкм) выводимого излучения λ < 1,24/E_g, где E_g (эВ) - ширина запрещенной зоны материала подложки 2 в гетероструктуре 1, подложка 2 в процессе изготовления должна быть удалена по крайней мере из области, прозрачной для выводимого излучения.

В этом случае при выращивании гетероструктуры 1 между подложкой 2 и эмиттером 17 может быть выращен дополнительный прозрачный полупроводниковый слой толщиной в пределах 5...100 мкм. Известно, что условие прозрачности отвечает требованию
λ >1,24/(E_g+δ),
где
E_g (эВ) - ширина запрещенной зоны материала подложки 2 в гетероструктуре 1, причем δ следует выбирать не менее 0,1 эВ.

Выходное излучение может быть направлено как наклонно, так и перпендикулярно к плоскостям слоев гетероструктуры 1.

Как сказано ранее, перпендикулярный вывод излучений обеспечивается в случае плоской поверхности 23 вывода излучения, расположенной параллельно слоям гетероструктуры 1, и выбора угла Ψ, равного π/2, а угла ϕ, равного π/4 Однако при этом возможно увеличение отражений от поверхностей слоев гетероструктуры 1 и поверхности 23 выхода излучения, в частном случае, от поверхности подложки 2, что крайне нежелательно (фиг. 4).

Как показали эксперименты для минимизации этого эффекта желательно на пути вывода отраженного излучения из активного слоя 15 гетероструктуры 1, например, между эмиттером 17 и подложкой 2 в многослойной гетероструктуре 1 желательно встраивать просветляющий полупроводниковый слой 24, оптическая толщина которого равна четверти длины волны выводимого излучения (фиг. 5). Просветляющие свойства слоя 24 определяются выполнением условия

где
n₁₅, n₄, n₂ - показатели преломления четверьволнового просветвляющего слоя 24, эмиттера 17 и подложки 2 соответственно.

Аналогично такой слой может быть введен со стороны другого эмиттера при противоположном выводе излучения.

Также снизить эффект переотражений и паразитных излучений при направлениях выходного излучения по нормали к плоскостям слоев гетероструктуры 1, в частности, к подложке 2 при углах Ψ = π/2 и ϕ ≠ π/4 позволяет выбор определенного наклона плоской поверхности вывода излучения к плоскостям слоев гетероструктуры 1 (фиг. 6).

Выяснено, что для Ψ < π/4 угол ε задан соотношением
η·sin{ε-[π/2)-2ϕ]}=sinε,
где
η - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения,
а для угла ϕ > π/4 угол ε задан соотношением
η·sin{ε-[2ϕ-(π/2)]}=sinε,
где
η - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

В местах выхода лучей из подложки 2, свободных от металлических контактных слоев омического контакта 20, желательно наносить многослойные диэлектрические антиотражающие покрытия 5.

Для случая, когда подложка 2 непрозрачна для выходного излучения, вышеприведенные конструктивные решения остаются в силе, но при этом в местах выхода излучения подложка 2 должна быть удалена.

Как сказано ранее, для уменьшения обратно отраженных паразитных излучений нами выполнены области 13 и 14 их подавления. Для этого в конце последней ячейки усиления ПАОУ 3, непосредственно после отражателя 10 конечной выемки 9 в гетероструктуре 1 создается торцевая область 13 подавления паразитных излучений, а именно, либо область поглощения, либо рассеяния с последующим поглощением прошедшей под выемкой 9 малой части излучения P_вх, а также подавлением отраженных и переотраженных излучений с целью предотвращения самовозбуждения усилителя.

Предложено с боковых сторон и в торце ПАОУ 3, после последней выемки 9 ячейки усиления 6 выполнять канавки для создания торцевой и частично боковой областей 13 и 14 подавления.

Эмпирически было выяснено и подтверждено расчетными оценкам, что подавление паразитных излучений при минимально вносимых потерях достигается при расположении канавок на расстояниях, при которых боковой спад интенсивности генерируемого либо усиливаемого излучения снижается до значений не более, чем 0,1 максимального значения интенсивности излучения в соответствующем поперечном сечении активной области. Причем данные канавки должны быть выполнены по крайней мере на глубину расположения всех слоев гетероструктуры 1, вплоть до подложки 2. Стороны канавок, смежные с боковыми сторонами активных областей, желательно формировать под углами полного внутреннего отражения к преимущественно распространяемым паразитным излучениям. Они могут быть рассчитаны при помощи известных методик.

Для увеличения эффекта подавления паразитных излучений канавки заполняют поглощающими излучение материалами с определенными характеристиками. Как определено, наилучшими материалами являются полупроводниковые материалы с шириной запрещенной зоны E_g(эB) < 1,24/λ. При этом необходима ширина канавок не менее 3/α, где α - коэффициент поглощения выбранного полупроводникового материала для данной длины волны. Полупроводниковыми материалами могут быть германий, кремний, арсенид индия и т.д.

Известно [8], [9], введение областей, подавляющих паразитные излучения: как торцевой области 13, так и боковых областей 14. Однако для данной конструкции ПОУ выбраны расположения, углы наклона боковых сторон канавок, смежных с активными областями, используемые поглощающие материалы. Выяснено, что увеличение расстояний между канавкой 13 и торцевой стороной ПАОУ 3, а также между канавками 14 и боковыми сторонами ПАОУ 3 значительно снижает эффект подавления паразитных излучений. Наименьшее расстояние определяется технологическими возможностями и требованиями исключения переотражений от граней канавок в активную область. Углы наклона канавок выбирают именно такими, чтобы исключить обратные переотражения. Предварительно они могут быть рассчитаны при помощи известных методов и уточнены во время эксперимента, так как зависят от каждой конкретной конструкции ПОУ, т.е. конкретной гетероструктуры и его элементов. Из сказанного следует, что вся совокупность существенных признаков предложенного ПОУ, включающего указанные средства подавления паразитных излучений, обладает изобретательским уровнем и новизной.

Предложенные нами и рассмотренные здесь модификации элементов позволяют оптимизировать конструкцию ПОУ и получить превосходные параметры, как по величине выходной мощности, так и по качеству получаемого излучения.

Для дальнейшего увеличения выходной мощности возможно использовать различные варианты топологий ПАОУ 3. На фиг. 7 представлен вариант ПОУ, отличающийся двумерной областью поверхностного излучения, сформированный из линеек 12 усиления, например, в виде "змейки". Возможны также другие варианты создания топологий двумерных областей, не представленные в настоящем описании (например, "свернутая спираль", "развернутая спираль" и т.д.).

На фиг. 7 входное излучение, усиленное в первой ячейке 6 усиления, поочередно отражаясь для вывода из активного слоя 15 и усиливаясь вновь, как описано ранее, достигает конца линейки 12 усиления. Здесь за счет введения поворотной ячейки 26 усиления с поворотным отражателем 25, сформированным под углом 45^o по отношению к боковым поверхностям линейки 12 усиления и пересекающим по нормали все слои гетероструктуры 1 вплоть до подложки 2, излучение за счет полного внутреннего отражения на этом зеркале меняет направление на угол 90^o в ту или иную сторону, в зависимости от направления угла поворота линейки 12 усиления. Далее процесс повторяется во второй линейке 12 усиления, расположенной под прямым углом к первой. На конце второй линейки 12, также на поворотной ячейке 26 сформирован аналогичный поворотный отражатель 25. В конце последней линейки 12 непосредственно после выемки 9 для вывода излучения, например, через подложку 2 сформирована торцевая подавляющая паразитное излучение область 13.

Варьируя последовательность и углы поворотов и длины линеек 12 усиления можно сформировать разнообразные варианты двумерных фигур ПАОУ 3 и соответственно поверхностей с регулярно расположенными на них поперечными полосками излучения.

Так, например, может быть выполнен ПОУ, включающий 41 линейку 12 усиления, причем каждая последующая линейка 12 усиления расположена под прямым углом по отношению к предыдущей. При этом первая линейка 12 усиления будет состоять из двух ячеек 6 усиления; вторая, четвертая и все четные линейки 12 усиления, вплоть до сороковой - из одной ячейки 6 усиления; третья и все нечетные линейки 12 усиления, вплоть до последней нечетной 41 линейки 12 усиления - из 6 ячеек 6 усиления. Всего в устройстве, кроме поворотных, должно быть предусмотрено 142 ячейки 6 усиления. На каждом повороте помещена поворотная ячейка 26 (всего 40 штук), ограниченная на повороте поворотным отражателем 25. Каждый из таких зеркальных отражателей 25 должен быть расположен под углом (π/4 + -0,01)рад по отношению к падающему на них усиливаемому лучу так, что направление усиливаемого излучения в каждой из нечетных шестиячеечных линеек 12 усиления начиная с 3 и кончая 41 меняется на противоположные.

Таким образом было сформировано двумерное плотноупакованное тело свечения для выходного усиленного излучения, имеющего форму типа "змейки". Общий размер близкого к квадратному тела свечения для данного ИПЛУ равен 3,0·3,2 мм² = 9,6 мм².

Для выполнения определенной архитектуры ПАОУ и поворотных отражателей следует использовать хорошо отработанные в настоящее время методы планарной технологии и фотографии, а также разработанные в последнее время технологии изготовления травленных зеркал [10].

Приведенные нами объяснения работы и доказательства существенности отличительных признаков устройства позволяют определить главное достоинство предложенных конструкций ПОУ - возможность получения относительно несложными известными технологическими приемами сверхвысоких уровней выходной мощности излучения при поддержании одночастотных и/или одномодовых его свойств со всеми присущими ему уникальными качествами: узкой диаграммой направленности излучения, определяемой дифракционной расходимостью отдельных излучающих элементов ПОУ и их когерентным сложением в дальнем поле, узким спектром излучения, высокой температурной стабильностью длины волны излучения, однородностью ближнего поля излучения, высокой надежностью.

Высокие мощности конструкций ПОУ по изобретению обеспечиваются тем, что в оптическом усилителе выполнена ПАОУ 3 с увеличенной эффективной длиной усиления излучения за счет введения отдельных ячеек усиления, на границах которых происходит "сброс" из активной области части излучения и введения оставшейся части в следующую ячейку для дальнейшего усиления в ней.

Для высококачественных гетероструктур 1, близких к идеальным, выходные лучи, отраженные от фронтальных отражателей 10 выемок 9 будут сфазированными между собой и их когерентное сложение в этом случае обеспечивает в дальнем поле не только указанные выше высокие выходные мощности излучения, но и дальнейшее (относительно расходимости каждого отдельного луча) сужение диаграммы направленности суммарного излучения в каждом из двух направлений (вдоль линейки генерации и перпендикулярно к ней) пропорционально числу складываемых лучей в каждом из указанных направлений. Однако структуры обычно не идеальны и в этих случаях необходима какая-либо подстройка условий работы ячеек 6 усиления друг к другу. Наиболее простой является токовая подстройка. Нужное изменение фазы при этом достигается заданным введением концентрации инжектированных носителей, изменяющих длину оптического пути для усиливаемого излучения в таком участке. В ряде случаев возможна токовая подстройка только одной ячейки 6 в линейке 12, но может возникнуть необходимость подстройки каждой ячейки 6. В этом случае для получения сфазированного излучения требуется автономное исполнение омических контактных слоев 19 к каждой из ячеек усиления 6.

Фактически, в предлагаемом ПОУ для одночастотного излучения, распространяющегося в ПАОУ 3, осуществлен режим бегущей волны и, вследствие этого, выходные лучи, отраженные от каждой выемки, например, регулировкой тока могут быть сфазированы между собой, что невозможно получить при простом суммировании мощностей от большого количества обычных усилителей [3]. В последнем случае также можно получить высокие значения выходных мощностей, однако при этом невозможно достигнуть других вышеназванных характеристик выходного излучения предлагаемого ПОУ. Поэтому предложенный нами ПОУ нельзя рассматривать как результат сложения известных решений.

Следует также заметить, что поскольку вывод излучения в предложенных ПОУ может быть осуществлен через подложку 2, то имеется возможность отвода больших потоков тепловыделения из активных слоев 15 ПОУ, расположенных обычно всего лишь на расстояниях нескольких микрон от внешней поверхности гетероструктуры 1. Это позволяет получать большие выходные мощности от предложенных ПОУ не только в коротких импульсах, но и большие уровни мощности в непрерывном и квазинепрерывном режимах его работы.

Поддержание одночастотного и/или одномодового режимов работы предложенного ПОУ с модификациями связано с тем, что все активные элементы предлагаемого устройства, как описывается ранее, работают в режиме усиления одномодового и/или одночастотного введенного излучения, что достигается его отличительными особенностями. В первую очередь специфической конструкцией полосковой области усиления, а именно, расположением по отношению к слоям гетероструктуры 1 выемок (как определено выше), позволяющих не только вывести из активного слоя часть излучения, но и ввести в каждую последующую ячейку усиления часть усиленного излучения, играющую такую же роль, как входной сигнал для первой ячейки. Кроме того, усилительный режим в ячейках усиления поддерживается введенными в конструкции ПОУ средствами подавления возможных паразитных излучений, возникающих вследствие отражений и переотражений (описывается ранее) в торце оптического усилителя, после последней ячейки усиления, ее выемки, так и с боковых сторон активной области, а также при выводе излучения из активного слоя 15 через область 11, прозрачную для выводимого излучения (требования к углам наклона отражателей 10 и поверхностей 23 вывода, к просветляющим слоям 24). Устранение попадания отраженных оптических лучей в активные слои 15 ячеек 6 усиления препятствует самовозбуждению и генерации в них лазерного многомодового излучения. Следует отметить, что вся совокупность указанных выше средств подавления паразитных отражений в предложенных конструкциях ПОУ обладает большей эффективностью, не только по сравнению с используемым в прототипе нанесением многослойного просветляющего диэлектрического покрытия 5 на выходную грань зеркала скола, но и по сравнению с другими известными средствами [8, 9].

В настоящее время известны по отдельности различные устройства отражения излучения от отражателя выемки, помещенного под углом к направлению распространения усиливающего излучения [11] и устройства прохождения излучения по волноводному слою под выемкой и перевода излучения в активный слой последующей области [12]. Однако формальное сложение известных решений не позволяет получить предложенное изобретение и решить поставленную техническую задачу. Достижение предложенного стало возможным только при оригинальном и неочевидном совмещении в одном узле внутри усиливаемой среды предложенного нового средства вывода и ввода излучения определенной конфигурации и определенным образом расположенного, что и обуславливает изобретательский уровень изобретения.

Здесь следует также отметить, что изготовление предложенного ПОУ опирается на ряд известных и в большинстве случаев отработанных технологий. Кроме технологий изготовления напряженных квантово размерных гетероструктур [13] и мезаполосковых активных областей [14], это относится также к технологии травления выемок под различными углами к гетероструктуре [15], технологии изготовления травленного зеркала [10]. Это все обеспечило промышленную применимость изобретения.

Нами определено, что только вся неочевидная совокупность указанных существенных признаков, обладающая изобретательским уровнем, новизной и промышленной применимостью, позволила решить поставленную техническую задачу: увеличение эффективной длины усиления излучения в оптическом усилителе при выводе излучения через поверхность, что обеспечило значительное увеличение выходной мощности излучения и ее плотности для различных режимов работы, а также сужение и возможность управления диаграммой направленности суммарного излучения в дальнем поле вследствие фазированного сложения дифракционно ограниченных выходных одномодовых и/или одночастотных излучений, снижение астигматизма совокупности поверхностных областей излучения и повышение эффективности теплоотвода.

Пример 1. Предложенный ПОУ с поверхностным излучением (фиг. 2 и 3) с одной линейкой 12 усиления был изготовлен следующим образом.

На полированной подложке 2 n-типа GaAs выращивали гетероструктуру 1 на основе соединений InGaAs и AlGaAs, следующего состава:
первый эмиттер 17 n-типа Al_0.31Ga_0,69As, толщиной 2,0 мкм;
активный слой 15, состоящий из следующей последовательности подслоев: нелегированного волноводного подслоя из Al_0.17Ga_0.83As, толщиной 0,09 мкм, барьерного подслоя GaAs, толщиной 6,0·10^-3 мкм, активного подслоя из In_0,2Ga_0,8As, толщиной 7,0·10^-3 мкм, и далее барьерного, активного, вновь барьерного и нелегированного волноводного подслоев указанной выше толщины и состава;
второй эмиттер 16 p-типа Al_0,31Ga_0.69As, толщиной 1,5 мкм;
Контактный слой 18 из легированного p-типа GaAs, толщиной 0,3 мкм.

Гетероструктура 1 со слоями указанного состава обеспечивает эффективное усиление вводимого лазерного излучения на длине волны λ ≈ 980 нм.

В гетероструктуре 1 методами планарной технологии и ионнохимического травления были одновременно сформированы ПАОУ 3, состоящая из первой ячейки с начальной полосковой частью и РОУ 8, и последующих ячеек полосковой конфигурации в виде линейки 12 усиления, состоящей из шести ячеек 6 усиления, разделенных выемками 9.

Начальная полосковая часть первой ячейки 6 была выполнена шириной 3,0 мкм и длиной 0,3 мм, ширина входа РОУ 8 3,0 мкм, угол расширения РОУ 8 был выполнен равным 0,1 рад, длина расширяемой части 1,0 мм, а максимальная ширина расширения 100 мкм. Линейка 12 усиления выполнена той же ширины 100 мкм, длина каждой ячейки 6 усиления, была равна 0,5 мм.

Общая длина сформированной ПАОУ 3 на полупроводниковой гетероструктуре 1 с шестью ячейками 6 усиления с одной линейкой 12 усиления составила 4,3 мм.

Семь выемок 9 было вытравлено методом ионнохимического травления. Первая из них была помещена в конце РОУ 8 и в начале второй 6 ячейки, а остальные - через 0,5 мм в конце каждой ячейки 6 усиления. Выемки 9 формировали так, что их ребра на поверхности гетероструктуры 1 были направлены перпендикулярно боковым поверхностям линейки 12 усиления с высокой точностью, обеспечиваемой методами фотолитографии. Они были огранены двумя гранями, пересекающимися в глубине гетероструктуры 1. Угол наклона зеркально полированных фронтальных граней - отражателей 10 всех выемок 9 был выдержан в пределах π/4±0,01 рад по отношению к нормали к слоям гетероструктуры 1. Особых требований к другим противоположным граням выемок 9 не предъявлялось.

Для определения глубины расположения выемок 9 из решений волновых уравнений с соответствующими граничными условиями для вышеуказанных толщин и составов (а именно, их значений показателей преломления) слоев гетероструктуры 1 было найдено распределение интенсивности излучения для моды нулевого порядка I(x) в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры 1 (фиг. 3). Глубина x₀ расположения выемок 9 найдена из условия, что поток излучения для этой моды, протекающий под выемкой 9, составляет 10% от полного потока излучения моды через гетероструктуру 1.

Из расчетов получено, что дно выемки должны быть расположено на глубине x₀ = 2,22 мкм от верхней границы контактного слоя гетероструктуры. Экспериментально глубина выемок 9 получена в пределах 2,20...2,30 мкм, при этом дно выемки 9 углублено в слой эмиттера 17, граничащий с подложкой 2, на ≈ 0,33 мкм от активного слоя (из рассчетов получена величина 0,34 мкм).

Экспериментально была получена достаточно малая ширина (≈ 1,5 мкм) дна выемки. Поэтому можно не учитывать при расчетах потери излучения при прохождении его под дном выемки 9.

На расстояниях 5±2 мкм по всему периметру от сформированных активных элементов прибора были вытравлены канавки 13 и 14 на глубину всей совокупности слоев гетероструктуры 1, вплоть до подложки 2. Ширина вытравленных канавок составила 6±1 мкм. Угол наклона граней вытравленных канавок 13 и 14, смежных с интегральными элементами устройства, был выполнен равным (1,0±0,1) рад. Вытравленные канавки 13 и 14 были заполнены германием, имеющим коэффициент поглощения излучения >10⁴см^-1 для длин волн меньше 980±5 нм.

Далее известными методами были созданы омические контакты 22, 23 на p- и n-стороны полупроводниковой пластины прибора. Общий омический контакт 23 на подложку 2 был нанесен после ее утонения при общей толщине подложки 2 и гетероструктуры 1, равной 100 мкм.

Для вывода излучения через подложку 2 металлические слои омического контакта 20, расположенные непосредственно под выемками 9, удаляли, а вместо них наносили многослойные диэлектрические антиотражающие покрытия 5, коэффициент отражения которых не превышал 0,1%.

Далее методом скрайбирования пластины разделяли на кристаллы. Габаритный размер кристалла был выполнен равным 1,0 · 4,5 мм.

Далее кристаллы p-стороной вниз напаивали на металлизированную пластину из синтетического алмаза, обладающего высокой теплопроводностью. Со стороны n-типа подложки 2 припаивали тонкую металлическую рамку с прорезями в местах вывода излучения.

Пластину алмаза с кристаллом устанавливали на термоохлаждающее устройство. Для обеспечения работы устройства металлический вывод от подложки 2 подсоединяли к минусу источника питания, а плюс источника питания подсоединяли к полосковым контактам оптического усилителя. Источник питания обеспечивал разность потенциалов на гетероструктуре 1 в пределах 1,5-2,2 В. При этом контролировали протекание тока через оптический усилитель в пределах 1. ..10 А. Точность установления токов здесь и ниже была не хуже ±5%.

В ПОУ было введено входное одночастотное излучение малой мощности до 50 мВт. Через ПОУ пропускали ток, равный 6 А.

Значения выводимых плотностей мощности были измерены под каждой выемкой 9 в отдельности. Среднее значение выводимой мощности, приходящееся на одну ячейку 6 усиления, составило порядка 0,33 Вт. Общая выходная мощность от ПАОУ 3 была получена порядка 2,3-2,4 Вт. Для указанных здесь и ниже измерений мощностей излучения точность измерения была не хуже 20%.

Измеренная длина волны излучения ПОУ была равной 985,4±0,1 нм. Ширина спектральной линии излучения при этом составила менее 0,1 нм. Это ее значение ограничивалось разрешением используемого для измерений спектрометра. Результаты этих измерений свидетельствовали об одночастотном режиме работы ПОУ.

Расходимость выходного излучения в направлении вдоль длины линейки усиления в каждом луче из шести выемок вблизи подложки 2 находилась в пределах 0,42-0,43 рад, а в направлении поперечных к длине линейки усиления для каждого из лучей в пределах 10-15 мрад, что свидетельствует об одномодовом режиме работы. Здесь и ниже измерялись углы расходимости излучения на уровне 0,5 от максимального значения мощности. В приведенных здесь и ниже расходимостей излучения точность их измерений была не лучше 15%.

Пример 1.1. За основу конструкции ПОУ принята описываемая в примере 1. Отличие заключалось в автономном выполнении омических контактов 19 к каждой из шести ячеек и при регулировке тока через каждую ячейку в пределах до 30 mA. Мощностные характеристики аналогичны примеру 1. Расходимость выходного излучения в направлении вдоль длины линейки усиления 15 в каждом луче из шести выемок 12 вблизи подложки 2 находилась в пределах 60-65 мрад, а в направлениях поперечных к длине линейки усиления 15 для каждого из лучей в пределах 11-12 мрад.

Пример 2. Выбрав за основу конструкцию ПОУ примера 1 нами были опробованы другие варианты изготовления и размещения областей, прозрачных для выводимого излучения 11, выемок 9 с отражателями 10 и поверхностей вывода 23 излучения.

Пример 2.1. Угол Ψ наклона выемки 16 был выбран равным 3±0,10^o, при этом угол ϕ наклона отражателей был выбран равным 42±0,05^o.

Пример 2.2. В многослойной гетероструктуре был выращен просветляющий полупроводниковый слой 30 состава Al_0.15Ga_0.85As, толщиной 0,072 мкм (фиг. 5). Коэффициент преломления этого слоя равен 3,486, а углы Ψ и ϕ соответствовали указанным углам в примере 1.

Выводы по примерам 2.1 - 2.2.

Результаты измеренных энергетических и пространственно спектральных характеристик ПОУ для вариантов 2.1 - 2.2 были очень близки между собой и результатами, приведенными в примере 1. Главное отличие состояло в различии уровней максимальных выходных мощностей генерации, при которых еще поддерживается одномодовый режим генерации и сохраняется дифракционная расходимость выходного излучения каждого выходного луча. Соответственно, для ПОУ примеров 2.1 и 2.2 (в соответствии с фиг. 4 и 5) измеренные максимально достигаемые мощности при сохранении пространственно спектральных характеристиках были равны 3,6; 2,8 Вт.

Кроме того, если для варианта по примеру 2.2, в соответствии с фиг. 5, выходное излучение было направлено перпендикулярно к поверхности подложки, то для варианта примера 2.1, в соответствии с фиг. 4, выходное излучение было направлено под углом ε = 22^o. При этом получено, что выход излучения находился в области, смещенной по отношению к плоскости нормального поперечного сечения, проходящего через отражатель 10.

При возможности реализации ПОУ, изображенного на фиг. 7, на основе конструкции и при режимах работы, описанных в примере 1.1, могли бы быть получены следующие результаты: величины выходных мощностей могут быть порядка 100 Вт при ожидаемой расходимости излучения в дальнем поле для направления вдоль линеек усиления 15 порядка 60...65 мрад, а в перпендикулярном ему направлении - порядка 1,0 мрад. Это было бы свидетельством одномодовости отдельных выходящих излучений из ячеек 6 усиления и их фазированного сложения в дальнем поле.

Сравнение характеристик известного ПОУ [4] и предлагаемого показало, что предлагаемое ПОУ имеет ряд неоспоримых и значительных преимуществ.

В настоящее время неизвестно совмещение средств вывода и ввода излучения в одном узле, размещенных определенным образом внутри усиливаемой среды и выполненных в виде определенной конфигурации, которая позволила бы реализовать поставленную задачу в весьма малогабаритном устройстве.

Вследствие этого стало возможным вывод излучения через торцевую грань (3) заменить на многократное число выводов излучения через поверхность. При этом достигнуты выходные мощности излучения ПОУ примерно в n-раз больше, чем в прототипе, где n - число ячеек усиления ПОУ; на примерах показано, что n ≈ 100. Реально, для больших размеров ИПЛУ можно получить n ≈ 1000 и более.

Важным и новым является то, что поскольку в изобретении реализован режим усиливаемой бегущей волны одночастотного излучения при ее регулярном "сбросе" через поверхность ПОУ 15, то выходные лучи, отраженные от фронтальных отражателей выемок, например при токовой подстройке ячеек усиления, являются сфазированными между собой и их когерентное сложение в дальнем поле обеспечивает не только высокие выходные мощности излучения, но и дальнейшее (относительно расходимости каждого отдельного луча) сужение диаграммы направленности суммарного излечения в каждом из двух направлений (вдоль линейки усиления и перпендикулярно к ней) пропорционально числу складываемых лучей в каждом из указанных направлений.

Следовательно, вся совокупность признаков изобретения является новой, обладающей изобретательским уровнем и промышленно применимой, и дает возможность решить поставленную техническую задачу: значительно увеличено количество оптических выводов от ПОУ и при снижении обратных отражений оптически усиленных сигналов в активные слои усиления при их выводе из ПОУ обеспечено значительное повышение коэффициента усиления ПОУ, упрощен ввод выходного излучения в оптическое волокно и значительно снижены затраты при использовании предлагаемых ПОУ в сложных разветвленных волоконнооптических системах связи.

Источники информации
1. Optics Communic,1992, Vol. 87, N 1-2, pp. 15-18.

2. Патент США 5260822, кл. H 01 S 3/19, 1993.

3. IEEE J.of Quant.Electr., Vol. 29, N 6, June 1993, pp. 2028-2032.

4. IEEE J.of Quant.Electr., Vol. 29, N 6, June 1993, pp. 2037-2042.

5. Патент США N 4845724, кл. H 01 S 3/19, 1989.

6. Кейси Х., Паниш М. Лазеры на гетероструктурах. Т. 1, 1981.

7. Вайнштейн А.А. Электромагнитные волны. М. - Сов. радио, 1988.

8. IEEE J. of Quantum Electronics, 1993, Vol. 29, N 6, pp. 2052-2057.

9. IEEE Photonics Technology Letters, August 1993, Vol. 7, N 8, pp. 899-901.

10. Osinski J.S., Mehuys D. et al., IEEE Photonics Technology Letters, 1994, Vol. 6, N 10, pp. 1185-1187.

11. Ellectron. Lett., 1995, Vol. 31, N 13, pp. 1056-1057.

12. Европейский патент 0411145. A1, H 01 S 3/18, 1990.

13. IEEE J. of Quantum Electronics, 1993, Vol. 29, N 6, pp. 1889-1894.

Патент РФ 1831213, кл. H 01 S 3/19, 1990.

J. Electr.Mater., 1990, Vol. 19, N 5, pp. 463-469.

Формула изобретения

1. Полупроводниковый оптический усилитель, включающий помещенную на полупроводниковой подложке многослойную гетероструктуру с активным слоем, содержащую активную область усиления, омические контакты, средство вывода излучения с покрытиями и средства подавления паразитных излучений, отличающийся тем, что активная область усиления сформирована по крайней мере из двух ячеек усиления, составляющих по крайней мере одну линейку усиления, ячейки соединены средством вывода излучения, выполненным в виде дополнительно введенных выемки с отражателем и области, прозрачной для выводимого излучения, причем выемка расположена со стороны поверхности гетероструктуры, отражатель помещен на фронтальной по отношению к входу оптического усилителя наклонной поверхности выемки, при этом введен угол Ψ, образованный направлением ребра отражателя выемки на поверхности гетероструктуры с направлением боковых сторон полосковой области усиления, выбираемый в диапазоне
π/2 - arcsin 1/n < Ψ < π/2 + arcsin 1/n,
где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения,
а также введен угол ϕ, образованный нормалью, мысленно проведенной в плоскости активного слоя к линии пересечения его плоскости с плоскостью отражателя выемки с нормалью к поверхности отражателя выемки, выбираемой в диапазоне
1/2arcsin 1/n < ϕ < π/2 - 1/2arcsin 1/n,
дно выемки по отношению к поверхности гетероструктуры помещено на расстоянии, задаваемом потоком энергии P_вх усиленного излучения, распространяемого при работе устройства, который определен в сечении гетероструктуры, нормальном к ее слоям, в начале ячейки усиления, а также задаваемым полным усилением в указанной ячейке, зависящим от заданного тока накачки, длины указанной ячейки и от конструкции гетероструктуры, при этом поток энергии P_вх выбран в диапазоне 0,95 - 0,001 от значения полного потока энергии усиленного излучения в конце предшествующей области усиления, а полное усиление в указанной ячейке выбрано обратно пропорциональным потоку энергии P_вх, далее в область, прозрачную для выводимого излучения и расположенную по ходу распространения во время работы устройства отраженного от отражателя выемки излучения, введены поверхности вывода излучения, по крайней мере одной стороной примыкающие к внешней выводной поверхности, а средства подавления паразитных излучений выполнены в гетероструктуре по крайней мере в виде области, расположенной после конечной выемки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что активная область усиления выполнена шириной b по всей ее длине.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая от входа ячейка активной области усиления выполнена расширяемой от входа шириной b до ширины f, а остальные ячейки выполнены шириной f.

4. Устройства по п.1, отличающиеся тем, что часть области усиления, начинающаяся от входа первой ячейки, выполнена шириной b, а продолжающая ее часть первой ячейки выполнена расширяемой от ширины b до ширины f, остальные ячейки выполнены шириной f.

5. Устройство по одному из пп.1 - 4, отличающееся тем, что в многослойной гетероструктуре между подложкой и прилегающим к нему эмиттером выполнен полупроводниковый слой, имеющий ширину запрещенной зоны, эВ, превышающую отношение 1,24 к длине волны, мкм, генерации лазерного излучения, распространяемого во время работы устройства, и толщину в диапазоне 5 - 100 мкм, причем поверхность вывода излучения размещена в введенном слое.

6. Устройство по одному из пп.1 - 5, отличающееся тем, что в случае плоской поверхности вывода излучения, расположенной параллельно слоям гетероструктуры, угол Ψ выбран равным π/2, а угол ϕ выбран равным π/4.
7. Устройство по одному из пп.1 - 6, отличающееся тем, что в многослойной гетероструктуре слой между эмиттером и прилегающим к нему внешним со стороны вывода излучения полупроводниковым слоем выполнен полупроводниковый слой с оптической толщиной, равной четверти длины волны излучения, вводимого при работе устройства, и с показателем преломления, равным корню квадратному из произведения показателей преломления для слоя эмиттера и подложки.

8. Устройство по одному из пп.1 - 5, отличающееся тем, что в случае плоской поверхности вывода излучения, наклоненной под углом ε к внешней выводной поверхности и пересекающей ее по линии, параллельной ребру выемки, угол Ψ для которого выбран равным π/2, и при выборе угла ϕ меньшим π/4 угол ε задан соотношением
n·sin{ε-[(π/2)-2ϕ]}=sinε,
где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

9. Устройство по одному из пп.1 - 5, отличающееся тем, что в случае плоской поверхности вывода излучения, наклоненной под углом ε к внешней выводной поверхности и пересекающей ее по линии, параллельной ребру выемки, угол ϕ для которого выбран равным π/2, и при выборе угла ϕ большим π/4 угол ε задан соотношением
n·sin{ε-[2ϕ-π/2)]}=sinε,
где n - показатель преломления области, прозрачной для выводимого излучения.

10. Устройство по одному из пп.1 - 9, отличающееся тем, что средства подавления паразитных излучений выполнены в виде канавок глубиной не менее глубины расположения слоев гетероструктуры со стороны боковых границ активных областей излучения, при этом ближайшие к ним стороны канавок помещены под углами полного внутреннего отражения к преимущественному направлению подавляемых паразитных излучений и на расстояниях, при которых во время работы устройства обеспечен боковой спад интенсивности излучения до значений не более чем 0,1 его максимального значения в соответствующем поперечном сечении активной области.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что в канавки введен материал, поглощающий излучение.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что поглощающим излучение материалом выбран полупроводниковый материал, имеющий ширину запрещенной зоны, эВ, не более отношения 1,24 к длине волны, мкм, излучения, вводимого при работе устройства, а ширина, мкм, канавок выбрана по крайней мере не менее трехкратной величины обратного значения от коэффициента поглощения полупроводникового материала для указанной длины волны излучения.

13. Устройство по одному из пп.1 - 12, отличающееся тем, что полосковая область усиления выполнена по крайней мере из двух последовательно расположенных линеек усиления, помещенных под заданным углом друг к другу, причем в месте поворота линейки ограничены плоскостью отражателя, пересекающей по нормали, по крайней мере слои гетеростуктуры, а также ограничивающие внешние боковые стороны полосковой области усиления указанных линеек в местах, образованных пересечением мысленно продолженных внутренних боковых сторон полосковой области усиления с ее внешними боковыми сторонами, а средства подавления паразитных излучений дополнительно размещены по крайней мере вдоль части боковых сторон линеек усиления.

14. Устройство по одному из пп.1 - 13, отличающееся тем, что по крайней мере на одной ячейке усиления сформирован автономный омический контакт.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7